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用NCEP和ECMWF资料对南半球极涡的趋势再分析

James A. Renwick

国家水文与大气研究所，惠灵顿，新西兰

2003年12月16日收到；2004年2月16日修改；2001年3月14日收入，2004年4月9日出版

1958-2001年ECMWF和NCEP/NCAR再分析资料对比分析对流层和平流层高度场的结果表明，对流层和平流层高度场有南极极地漩涡增强的趋势。在1979年卫星观测出现之后，南半球再分析资料和每日观测资料具有很好的一致性。1980-2001年期间，1980-2001年期间，500hpa和50hpa位势高度的线性趋势在空间上接近一致(相关系数gt;0.8)，表明在夏季和秋季，南极洲上空高度下降，南部海洋上空纬向风增强。1980年以前，平流层的趋势一致(空间相关性0.7)，表明自1950年代后期以来，南极洲上空的高度存在上升趋势和极地涡旋存在减弱趋势。对流层的趋势在1980年以前并不一致，但在性质上有类似的特点。过去20年都观察到这种强趋势，但在十年的时间尺度上仍存在周期性成分。（索引词：1610全球变化：大气（0315,0325）；1602全球变化：气候动力学（3309）；3319 气象学与大气动力学：大气环流；3349气象学与大气动力学：极地气象学；3362气象学与大气动力学：平流层/对流层相互作用。 引用：Renwick, J. A.，2004，用NCEP和ECMWF资料对南半球极涡的趋势再分析，地球物理学，Res. Lett.,31，L07209, doi:10.1029/2003GL019302.）

1 引言

大型建模中心的全球再分析工作为研究界提供了前所未有的大规模研究机会研究大气环流变异性，特别是在南半球的数据解析[Kalnay et al., 1996; Kistler et al., 2001; http://www.

ecmwf.int/research/era/]。然而，人们发现模型的偏差和缺陷，结合观测数据集的时间演化(值得注意的是卫星观测的开始)导致了如此大规模的再分析时间序列的长期变化，使重新分析对长期气候变化研究的价值变得可疑[Kistler et al.，2001]。观测数据集变化的影响在南半球尤其明显，传统的地面和高空数据覆盖范围很窄。NCEP / NCAR(国家环境预报中心/国家大气研究中心)再分析(NRA),全球首次可用长时间序列,进一步破坏了许多问题与观测数据的整合,比如澳大利亚“PAOB”数据位置错误和错误使用南极观测数据[Hines et al., 2000; Marshall, 2002]。

在NRA数据中，南半球对流层和平流层极地涡旋的强度存在明显的线性趋势[Renwick andRevell, 1999; Thompson and Wallace, 2000; Marshall, 2003]。对流层环流被认为倾向于南极振荡(AAO)的正极性，南部海洋的西风加强，南极的位势高度降低，这与南极无线电探空仪数据中观察到的趋势一致[Thompson and Solomon, 2002]。然而，对地面测量数据的分析以及与欧洲中期天气预报中心(ECMWF) 15年重新分析(ERA15)的比较表明，NRA趋势可能被夸大[Connolley and Harangozo, 2001; Hines et al., 2000; Marshall, 2002, 2003]。

ERA15的再分析最近被延长到40多年，从20世纪50年代末开始。较长时期ECMWF再分析(ERA40)的可用性提供了一个新的机会来评估南半球中高纬度环流趋势的形式和幅度，并评估两个关键的再分析数据集在几十年时间跨度内的一致性水平。本文对1958-2001年(44年)对流层中(500 hPa)和平流层下(50 hPa)的NRA和ERA40高程场进行了简要比较。

2 数据和方法

数据来自NCEP/NCAR和ECMWF1958-2001年44年间的再分析资料。从每个集合中提取500 hPa和50 hPa高度每天一时次(1200UTC)的时间序列。500 hPa水平代表对流层中环流，是第一个完全位于南极东部冰盖之上的标准水平。50 hPa水平代表较低的平流层环流，是NCEP/NCAR再分析的最高水平，在很大程度上不受Trenberth和Stepaniak[2002]发现的分析问题的影响。区域是根据原来的2.5经纬度分辨率投影的在覆盖20°S以南所有纬度的21- 21点南半球极地立体坐标网格上。平均网格间距约为600公里。

在计算趋势之前，通过比较每日数据的均方根差异(RMSD)和空间异常相关性(ACC)来评估数据集之间的一致性水平。ACC值的计算使用的异常，从各自的日分辨率平均年周期。至于表示，每日统计数字是按季节平均分为3 - 5月(MAM)、6 - 8月(JJA)、9 - 11月(SON)和12 - 2月(DJF)。线性趋势是通过最小二乘回归(Draper and Smith,1981)在指定的时间窗内从每个数据序列中计算出来的。

图1 在海拔500 hPa(上一行)和50 hPa(下一行)条件下，NRA和ERA40田的季节平均日均方根差值(RMSD，单位为米)和异常相关值(ACC，右列)。在RMSD图中，灰色线显示了连续ERA40字段的RMSD值(间隔一天)。

3 结果

3.1 逐日场比较

RMSD和ACC值平均分为三个月的季节如图1所示。RMSD图还包含从ERA40字段计算的一天RMSD值。正如所料，卫星观测的开始有一个明显的影响[Kistler et al.， 2001;Marshall,2002;Randel等，2002]。从1979年开始，均方根差异和异常相关显著提高，表明在有足够观测数据的情况下，两种重新分析结果非常一致。图1还显示了自1979年以来高程场振幅的增加，最明显的是在500 hPa处的一天差RMSD。50hPa，在整个记录中，逐日的RMSD一直向上的趋势，而不是在1979年的一步变化。

1979年以前，ERA40和NRA非常不同，RMSD值通常比ERA40字段中相隔一天的值大。日高异常场的均方根波幅在500hpa时约为80m，在50hpa时约为100m，与记录头10年的平均RMSD水平相当。直到1970年代初，行政协调会的日值经常低于零。自1980年以来，每日最低ACC为500 hPa为0.83。在50百帕的情况下，情况的改善并不那么一致。平均ACC值已从上半年的0.64升至下半年的0.92，但即便是在最近几年，日值有时仍低于0.6。对流层顶上空相对缺乏观测资料，仍然使模型在平流层中发散，特别是在南部夏季平流层环流最弱的时候。

就比较统计数据的变化而言，不同级别之间的行为存在差异。在500百帕时，模型间的一致性在1979年显著改善，统计数据中的季节周期显著减少或全部消失。在50 hPa时，RMSD的季节周期在1979年基本消失，但在20世纪80年代和90年代初，RMSD的年际变异性很强，在500 hPa时没有出现。自1979年以来，50个hPa ACC的季节周期有所减少，但也发生了逆转，从南部冬季的最低期降至夏季的最低期。这种变化似乎与两种模型中季节变化周期的对比变化有关。

3.2 趋势比较

线性趋势是在一些15-25年的时间窗中计算出来的。这里只显示了1958-1979年和1980-2001年这两个22年期间的结果，因为这两个时期平均地划分了整个数据期间，并且分离了在重新分析之间的比较统计数据发生较大变化的时期(图1)。在适当的时候会提到其他时期的统计数据。

图2显示了1980-2001年期间DJF的趋势。南方夏季是趋势最明显的季节。秋季(MAM)是下一个趋势最强的季节，正如一些作者所指出的那样。，吉列和汤普森，2003)。在两个水平上，NRA和ERA40的趋势形式是一致的，尽管NRA的幅度更大，特别是在500 hPa时。与此一致，Marshall[2003]发现，与基于地面观测的估计相比，南环形模态(SAM)的NRA趋势被严重高估。对于DJF来说，这两组趋势在1980-2001年间的空间相关性大于0.9。1980-2001年的最弱一致性发生在MAM为50 hPa时，空间相关系数为0.7。在那里，NRA在整个半球显示出高度下降的趋势，而ERA40只在50多米以南出现下降(未显示)。

在平流层，这一趋势主要是由极地上空的大幅下降所主导，这可能与平流层臭氧耗竭有关[Gillett and Thompson, 2003;汤普森和所罗门，2002]。对流层中部的趋势与50百帕时的趋势相似，南部海洋上空的纬向风增加。对流层的这种趋势可能是对平流层下层潜在涡量变化和对流层波传播相关变化的响应[Black, 2002; Gillett and Thompson, 2003]。

图3显示了1958-1979年之前22年期间的情况。同温层的趋势与1980年以来的趋势相反，平均高度在南极和半球大部分地区都在上升。即使在这里，两个重新分析集也很一致，空间相关性为50hPa趋势图0.83，尽管字段中通常存在较大的日差异。在50hPa时，各季节的趋势模式有较好的一致性，MAM最小空间相关为0.67。NRA在早期平流层较低的地方表现出一种冷偏倚[Marshall, 2002]，这是这里所看到的高度上升趋势的原因之一。重新分析之间的明显一致可能至少部分与卫星时代之前对南极洲缺乏观测有关。在50hPa时，情况就不那么清楚了，尽管数据集之间有一些相似之处。NRA和ERA40都显示南极洲上空的高度上升，南太平洋东部和南印度洋部分地区的高度下降。1958-1979年期间，江淮地区500个hPa趋势格局的空间相关性仅为0.36。空间相关性在其他季节均较高(0.4-0.7)。

在整个44年的时间里，后20年的趋势占主导地位，特别是在南方夏季。为了说明趋势的时间演变，将最强趋势月份(12月至5月)的异常(季节性周期)平均投影到DJF 1980-2001趋势模式(图2)上，并将得到的时间序列标准化，如图4所示。

在500 hPa时，两个再分析集的振幅在整个周期内都有逐渐上升的趋势，从1960年代的负值(南极洲上空的正高度异常)到1980年代初以来的大部分正值(南极洲上空的负高度异常)[cf. Marshall,2003]。在500 hPa有相当大的年际变化，但在两次重新分析中有非常相似的时间演变。图4中500 hPa时间序列的相关性为0.92。在50百帕时，情况又不同了。NRA数据中以年代际变化为主，20世纪70年代中期卫星观测的引入使NRA数据发生了巨大的变化，1993年南极地表观测解释出现了错误[Marshall, 2002] ERA40的数据比NRA在前几十年的数据更可靠[Marshall, 2003]，显示的十年信号要少得多。然而，近年来，从定性上看，这两组数据在时间上显示出类似的演变，从上世纪60年代的正面预测到一段时期的负面预测，然后又回到正面预测。

图2 1980-2001年DJF期间位势高度的线性趋势。左边的列使用NCEP/NCAR重新分析，右边使用ECMWF重新分析。顶部一行显示500 hPa的趋势，底部一行显示50 hPa的趋势。等高线为每位势米10年，以1000万年为间隔。负轮廓是虚线。

图3 如图2 时间从1958-1979

4 小结和讨论

NRA和ERA40对每日对流层和平流层场的比较表明，自上世纪70年代末卫星时代开始以来，这两种再分析在南半球是最可靠的[Kistler et al., 2001; Marshall, 2002, 2003]。

NRA的数据中过去20年南方夏季的线性趋势也可以在ERA40中看到，且都进行了检验。NRA趋势的大小大于ERA40，但它们的形式非常相似，并且与最近的建模工作(Gillett and Thompson, 2003)一致，该工作显示了南极臭氧耗竭的强大力量。最近加强纬向风的趋势主导了整整44年的时间，特别是在夏季。在500hPa时，12月至5月期间趋势的年际变化率在数据集之间是一致的，并且与最近基于观测的结果基本一致[Marshall, 2003]。

在记录的前半部分，两组重新分析的数据对500hPa的趋势形式并不完全一致，但有一些定性的特征。1979年以前50hPa的数据集之间有很强的一致性，表明最近的趋势相反，在DJF期间高纬度地区的高度上升。然而，NRA趋势至少部分与南极洲平流层低层的偏冷有关，这种偏冷现象出现在20世纪70年代中期之前的数据稀疏时期[Marshall, 2002]。数据集之间的一致性表明，ERA40也可能在南极平流层表现出早期的冷异常。

图4 图2中显示的趋势模式的模式振幅。数值计算方法是将12月- 5月平均高度异常投影到DJF 1980-2001年趋势图上(图2)，并将其归一化产生的时间序列。NRA结果显示在左侧面板，ERA在右侧。500 hPa的值显示在顶部一行，50 hPa的值显示在底部一行。

致谢

NRA数据由Chi-Fan Shih从NCAR提供。 两位匿名审稿人的评论有助于加强这里提出的调查结果。 这项工作得到新西兰研究，科学和技术基金会的支持，合同号为C01X0202。

参考文献：

Black, R. X. (2002), Stratospheric forcing of surface climate in the Arctic Oscillation, J. Clim., 15(3), 268– 277.

Connolley, W. M., and S. A. Harangozo (2001), A comparison of five numerical weather prediction analysis climatologies in southern hi

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